Genetica of erfelijkheidsleer is de biologische wetenschap die erfelijkheid beschrijft en verklaart. Het inzicht dat levende wezens eigenschappen van hun ouders erven, wordt al duizenden jaren gebruikt bij het kweken van gewassen en fokken van dieren. De basisregels van de genetica – hoe organismen eigenschappen aan hun nakomelingen doorgeven – werden in de 19e eeuw ontdekt door Gregor Mendel, wiens werk rond 1900 bekend werd.
De vererving van eigenschappen gebeurt in de eerste plaats door middel van genen: eenheden van erfelijke informatie. Genen maken deel uit van het DNA: een lang molecuul dat voorkomt in alle levende cellen. De bouwstenen van DNA, nucleotiden genaamd, zijn in een specifieke volgorde achter elkaar gelegen. Deze volgorde vormt een code waarin onder andere de erfelijke eigenschappen zijn vastgelegd. Een cel kan zijn DNA en daarmee zijn genen kopiëren om deze vervolgens bij de celdeling door te geven aan een dochtercel. Bij de voortplanting worden de genen op deze wijze, of via een speciale celdeling, doorgegeven aan de nakomeling.
Het overerven van eigenschappen en de moleculaire mechanismen die daaraan ten grondslag liggen, vormen de grondbeginselen van de genetica. Genetici bestuderen hoe de genen werken, welke variaties ze kennen en hoe ze zich verspreiden. De studie beweegt zich op verschillende organisatieniveaus: op het niveau van de cel (moleculaire genetica), op het niveau van het individuele organisme (klassieke genetica) en op het niveau van een populatie (populatiegenetica). Genetische processen bepalen in combinatie met de omgeving hoe een organisme zich ontwikkelt en uiteindelijk gedraagt.
Toepassingen van moderne genetische kennis zijn bijvoorbeeld genetische manipulatie in de biotechnologie, de behandeling van erfelijke aandoeningen in de geneeskunde en de opsporing van personen in het forensisch onderzoek. Ook biedt de genetica inzicht in de verwantschap tussen individuele organismen, soorten, geslachten en hogere taxa.
Klassieke genetica Genetica kent een aantal basisprincipes, die teruggaan op de bevindingen van de 19e-eeuwse monnik Gregor Mendel. Voortbouwend op zijn ontdekkingen deden wetenschappers nader onderzoek naar de manieren waarop erfelijke eigenschappen worden doorgegeven, door te kijken naar de uiterlijke kenmerken van een plant of dier. De kennis die aldus tot aan het midden van de 20e eeuw verworven werd, wordt in wetenschappelijke kring algemeen aanvaard als klassieke genetica.
Erfelijke eigenschappen thumb|Foto van een Inupiaq-gezin uit noordwest Alaska, rond 1929. Familieleden lijken vaak qua uiterlijk op elkaar. Deze kenmerken worden van ouder op kind doorgegeven en zijn erfelijke eigenschappen
Organismen kunnen bepaalde eigenschappen doorgeven aan hun nakomelingen. Zulke eigenschappen zijn erfelijke eigenschappen. De overervingspatronen van deze zichtbare erfelijke kenmerken vormen het hoofdonderwerp van de klassieke genetica. Een erfelijke eigenschap hoeft zich niet altijd in een nakomeling te uiten maar kan ook een of meer generaties overslaan. Bij mensen is de kleur van de ogen een voorbeeld van een erfelijke eigenschap.Sturm & Frudakis 2004
Alle erfelijke eigenschappen samen, of ze nu wel of niet tot uiting komen, zijn het genotype van een organisme.Pearson 2006 Alle eigenschappen die samen het uiterlijk, gedrag en overig merkbaar functioneren van een organisme bepalen zijn het fenotype. Omdat niet alle eigenschappen erfelijk zijn, zijn genotype en fenotype niet hetzelfde. Het fenotype is het resultaat van het genotype en de omgeving waarin het organisme zich bevindt.Peaston & Whitelaw 2006
De mate waarin een erfelijke eigenschap van een organisme tot uitdrukking komt is afhankelijk van de omgeving (het milieu). Wanneer bijvoorbeeld huid regelmatig aan zonlicht met ultraviolette straling wordt blootgesteld, wordt in de huid meer pigment gevormd en wordt de huid donkerder getint. De mate waarin pigmentvorming tot uitdrukking komt, is daarom onderdeel van het fenotype. In het geval van albinisme wordt echter helemaal geen pigment aangemaakt. Albinisme is een erfelijke eigenschap en onderdeel van het genotype.Oetting et al 1996
Genen
De manier waarop organismen eigenschappen doorgeven aan hun nakomelingen werd ontdekt door de 19e-eeuwse monnik Gregor Mendel. Hij deed zijn ontdekking toen hij experimenteerde met erwtenplanten. De principes van erfelijkheid worden naar hun ontdekker de Wetten van Mendel genoemd.
Organismen geven eigenschappen door aan hun nageslacht in discrete eenheden van erfelijk materiaal, de genen.Zie bijvoorbeeld Griffiths et al. (2015), Ch. 2 Elke erfelijke eigenschap van een organisme – zoals de bloemkleur bij planten en de kleur van de ogen bij mensen – wordt bepaald door één of meerdere genen. Een gen kan voorkomen in verschillende versies of allelen. In Mendels experimenten kwamen planten met paarse en planten met witte bloemen voor, wat betekent dat er sprake was van twee versies van hetzelfde gen: een allel voor een paarse bloemkleur (B) en een allel voor een witte bloemkleur (b). Mendel merkte dat het kruisen van de twee varianten geen planten met een gemengde bloemkleur geeft, maar dat de eigenschappen in een vaste verhouding werden doorgegeven: driekwart van de erwten had paarse bloemen en een kwart had witte bloemen.
Veel planten en dieren hebben altijd twee allelen (twee versies van elk gen): een van elke ouder, daarom diploïd genoemd. Als een diploïd organisme twee dezelfde allelen van een gen heeft, is het homozygoot. Zijn de twee allelen verschillend, dan is het heterozygoot. In het voorbeeld van de erwtenplanten zijn planten met de combinaties BB en bb homozygoot en is een plant met Bb heterozygoot.
Dominantie thumb|Een vierkant van Punnett voor de kruising tussen twee heterozygote erwtenplanten met paarse (B) en witte (b) bloemen Bij heterozygote organismen zal vaak een van beide allelen overheersen en de betreffende eigenschap bepalen. Dit allel is dominant, het andere allel, dat zich niet uit, is recessief.Campbell et al. (2018) Ch. 14 Bij de erwtenplanten van Mendel waren de meeste bloemen paars; het voor de paarse kleur verantwoordelijke allel is dus dominant. Men noteert dit met een hoofdletter (B), het recessieve allel wordt met een kleine letter (b) genoteerd.
Bij seksuele voortplanting erft een diploïde organisme voor elk gen een van de twee allelen van elke ouder. Welk van de twee allelen het organisme van een ouder krijgt is willekeurig, zodat de kans op elk allel 50% is. Bovendien gaat de willekeur normaal gesproken voor elk gen afzonderlijk op: een organisme kan voor het ene gen het dominante allel van de ouder erven, terwijl het voor een ander gen een recessief allel krijgt. Als beide ouders heterozygoot zijn en toevallig het recessieve allel doorgeven (die kans is 25%), zal het organisme uiterlijk verschillen van beide ouders. Op die manier kunnen bepaalde eigenschappen een generatie overslaan.
In werkelijkheid zal het fenotype niet altijd met deze simpele erfelijkheidsregels te voorspellen zijn. Als beide allelen even dominant zijn (codominantie) of het recessieve allel toch enige invloed heeft (incomplete dominantie), zal iets van beide zichtbaar zijn in het organisme. Ook kan een organisme soms beide genen gebruiken om tot een bepaalde eigenschap te komen. Als een van beide niet werkt omdat het recessief is, verschilt de heterozygoot toch van de homozygoot.
Diagrammen en notaties thumb|Een patroon van overerving kan worden weergegeven met een genetische stamboom. Vrouwen worden met cirkels en mannen met vierkanten aangegeven. Geel gekleurde leden van de familie bezitten de onderzochte mutatie
Genetici beschrijven overerving van eigenschappen met symbolen en schema's. Als een bijzondere mutatie het onderwerp van studie is, wordt het gebruikelijke, niet-gemuteerde gen met een +-symbool gemarkeerd. Bij experimenten met erfelijkheid worden de generaties aangegeven door de letter P voor de ouders, F1 voor de eerste generatie nakomelingen, F2 voor de tweede generatie nakomelingen, enzovoorts. Een veelgebruikte wijze om de uitkomst van een kruising te voorspellen is het opstellen van een vierkant van Punnett. Dit schema laat van beide ouders zien welke allelen ze van een bepaald gen hebben en bij de nakomelingen toont het de vier mogelijke combinaties van de allelen.
In de klinische genetica worden stamboomdiagrammen en kwartierstaten gebruikt om de overerving van bepaalde allelen in beeld te brengen. Een stamboom laat alle nakomelingen van een bepaald paar ouders zien, waarbij elke generatie op een horizontale lijn staat. Een kwartierstaat laat juist alle voorouders van een bepaald individu zien, ook met elke generatie op een bepaald niveau. Door een bepaalde kleur kan worden aangegeven welke individuen binnen het schema het onderzochte allel bezitten.
Interacties tussen genen thumb|Lichaamslengte bij de mens is een complexe genetische eigenschap. Francis Galtons gegevens uit 1889 tonen dat de lengte van nakomelingen en de lengte van ouders samenhangen. Hoewel er correlatie is, laat de diagram zien dat lengte niet alleen door erfelijke eigenschappen wordt bepaald Organismen hebben duizenden verschillende genen. Bij seksuele voortplanting worden deze genen meestal onafhankelijk van elkaar doorgegeven. In het voorbeeld van de erwtenplanten staat bijvoorbeeld het allel voor bloemkleur dat de plant van een ouder krijgt los van het allel voor vruchtkleur. Dit principe staat bekend als de derde wet van Mendel. Omdat allelen onafhankelijk van elkaar overerven kan een ouderpaar een vrijwel eindeloze variatie van nakomelingen krijgen.
De meeste eigenschappen van organismen worden niet door een enkel gen, maar door meerdere genen bepaald. Het is daarom onmogelijk om bijvoorbeeld een giraffe met een slurf te maken door een enkel gen van een olifant aan een giraffe te geven. Sommige genen kunnen "samenwerken" of elkaar tegenwerken, wanneer ze beide invloed hebben op dezelfde eigenschap. Het vergeet-mij-nietje bijvoorbeeld heeft een gen voor bloemkleur. Er bestaan twee allelen, een voor blauwe en een voor roze bloemen. Een ander gen bepaalt of de bloemen überhaupt gekleurd zijn of wit blijven. Als dat laatste gen twee allelen voor witte bloemen heeft, zullen de bloemen wit zijn, of het eerste gen nu een blauwe of roze bloemkleur geeft. Deze interactie tussen twee genen is epistasie en het overheersende gen epistatisch tegenover het andere gen. et al. (2015), Ch. 6
Veel eigenschappen zijn niet discreet (liggen niet vast op bepaalde waarden) maar variëren over een continue schaal, zoals de lichaamslengte bij de mens. Dit zijn kwantitatieve eigenschappen en de manier waarop ze worden doorgegeven aan nakomelingen is kwantitatieve vererving. Bij kwantitatieve vererving speelt een groot aantal genen een rol. Daarnaast is bij veel kwantitatieve eigenschappen ook de omgeving waarin het organisme leeft van invloed. Zo zal het gewicht van een organisme niet alleen afhangen van het gewicht van de ouders, maar ook van de hoeveelheid voedingsstoffen die het organisme tot zijn beschikking heeft.
De mate waarin de genen invloed hebben op een kwantitatieve eigenschap van een populatie, is de heritabiliteit. Als de omstandigheden waarin individuen van een populatie zich bevinden sterk verschillen, zal ook de heritabiliteit van bepaalde eigenschappen verschillend zijn. Zo is bij de lichaamslengte van mensen de heritabiliteit in de Verenigde Staten 89%, maar in Nigeria waar de verschillen in toegang tot goede voeding en medische zorg groter zijn – slechts 62%. et al. (2001)
Moleculaire genetica